Hochtemperatur-Wärmespeicher GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft ein Solarkraftwerk in Form von Parabolrinnenkraftwerken mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 12 sowie einen Hochtemperatur-Wärmespeicher, ins- besondere Großraumwärmespeicher. Demnach ist vorgesehen, dass das Solarkraftwerk in Gestalt eines Parabolrinnenkraftwerks mindestens einen Reflektor in Gestalt einer Parabolrinne und mindestens einen Wärmespeicher umfasst.

TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND

Die Parabolrinnen-Solarkraftwerke stellen heute die kostengünstigste und effizienteste Technologie dar, um aus Sonnenenergie Strom zu erzeugen. Sie funktionieren ähnlich wie konventionelle Kraftwerke mit dem Unterschied, dass sie nicht die Stetigkeit haben den Strom ununterbrochen erzeugen zu können.

Die heutigen Solarkraftwerke haben sich hauptsächlich als Parabolrinnenkraftwerke etabliert. Sie haben die besten wirtschaftlichen Performances bis heute gezeigt. Aus diesem Grunde wollen wir uns auf Parabolrinnenkraftwerke konzentrieren. Die Parabolrinnen-Kraftwerke umfassen ein Solarfeld, das aus mehreren parallel angeordneten Reihen von Kollektoren besteht. Diese Kollektorreihen haben jeweils eine Länge von ca. 100 Metern und sind wiederum in kleinere Einzelkollektoren unterteilt. Die Spiegel der Einzelkollektoren haben einen parabelförmigen Querschnitt. Im Brennpunkt des Spiegels verläuft ein Absorberrohr, das von einem hitzebeständigen synthetischen öl durchströmt wird. Das Sonnenlicht wird 80-fach konzentriert und auf dieses Rohr reflektiert. Das öl wird dadurch auf ca. 400 ⁰ C erhitzt. Die Energie wird über das Trägermedium in die Kraftwerkszentrale transportiert, wo sie über einen Wärmetauscher an Wasser abgegeben wird. Der entstehende Wasserdampf treibt dann eine Turbine und die Turbine treibt den Generator an. Anlagen dieser Bauweise kommen auf einen Wirkungsgrad von 20 % im Sommer, bzw. 14% im Jahresmittel. Im Vergleich zu anderen Sonnenkraftwerken kann diese Technologie als wirkungsvollste bezeichnet werden.

Die neueren Kraftwerke verfügen über thermische Speicher, mit dem die Kraftwerke in planbarer Weise also auch bei Bewölkung oder nach Sonnenuntergang betrieben werden. Die dazu benötigte Wärme wird in einem Flüssigsalzgemisch aus 60% Natriumnitrat (N ₃ NO ₃ ) und 40% Kaliumnitrat (KNO ₃ ) gespeichert. Beide Stoffe kommen unter anderem als Dünger, sowie zur Konservierung bei der Lebensmittelproduktion zum Einsatz. Die Flüssigsalzspeicher arbeiten bei Atmosphärendruck und bestehen pro Kraftwerk aus zwei Tanks. Beim Umpumpen vom„kalten" in den„heißen" Tank nimmt das Flüssigsalzgemisch bei einer Ausgangstemperatur von ca. 290 ⁰ C zusätzliche Wärme auf, so dass es auf ca. 390 ⁰ C erhitzt wird. Ein voller Speicher kann die Turbine ca. 7.5 Stunden betreiben.

Die Absorberrohre wurden speziell für diese Anwendung in Parabolrinnenkraftwerken konzipiert. Sie nehmen, die von den Spiegeln reflektierte Sonnenstrahlung auf, leiten die eingefangene Wärmeenergie durch eine, im Inneren fließende

Wärmeträgerflüssigkeit weiter und diese gibt sie anschließend an den Dampfkreis ab.

Die Konstruktion des Absorberrohres gestattet eine maximale Absorption der

Sonnenstrahlung und eine gleichzeitige Minimierung der Wärmerückstrahlung des erhitzten Metallrohrs. Ein Absorberrohr ist vier Meter lang und besteht aus einem mehrfach selektiv beschichteten Edelstahlrohr welches einen Absorptionsgrad von 95% aufweist und bei einer Temperatur von ca. 400 Grad Celsius maximal 14%

Wärmestrahlung emittiert. Das Stahlrohr wird von einem vakuumisolierten konzentrischen Hüllrohr aus Borosilikatglas mit Antireflexbeschichtung umgeben, die für über 96 % der Sonnenstrahlung durchlässig ist. Kriterien für optimalen Wärmespeicher:

Die Kriterien für einen guten Energiespeicher kann man wie folgt zusammenfassen: • Eine Bauform, die der Vielfalt an Anforderungen möglichst oft gerecht wird.

• Durchdachte, praxiserprobte Anschlüsse, die eine schnelle Montage auf der Baustelle ermöglichen.

• Solide Konstruktion, die eine lange Lebensdauer gewährleistet.

• Hochwertige Isolation, um die Verlustleistung minimal und den Wirkungsgrad hoch zu halten.

• Große Speicherleistung pro Volumeneinheit.

• Es soll die Möglichkeit bestehen, die Energie mit hohen Temperaturen zu speichern, um exegetische Verluste zu minimieren.

• Die Speichermasse soll aus handelsüblichen Baustoffen hergestellt werden. • Die Energieentkoppelung soll möglichst in der Nähe der Speichermasse liegen.

• Preiswerte Ausführung.

• Die Zeitspanne zwischen dem Energieabruf und dem Beharrungszustand bei der Energieentkoppelung soll kurz sein.

• Der Energieverlust vom Energiespeicher zum Energieverbraucher soll minimiert werden.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Wärmespeicherung gattungsgemäßer Pa- rabolrinnenkraftwerke zu verbessern Die Erfindung, löst diese Aufgabe mit einem Solarkraftwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Demnach ist vorgesehen, bei einem gattungsgemäßen Solarkraftwerk im Fokus (1.1) oder in einer Fokuszone der mindestens einen Parabolrinne (1) mindestens einen weiteren Reflektor in Gestalt einer Ge- genparabolrinne (2) zu positionieren, so dass die Sonnenstrahlen noch einmal konzent- riert werden und sie anschließend den Scheitelbereich (1A) der Parabolrinne (1), insbesondere durch eine Öffnung (12) passieren und auf den dahinter aufgestellten, mindes- tens eine Wärmespeichermasse (3) umfassenden Wärmespeicher, insbesondere auf dessen Oberfläche (10) oder die Oberfläche eines Hohlraumes (10.1) im Wärmespeicher fallen. Ferner sind Mittel zum Abrufen der gespeicherten Wärme in oder an der Wärmespeichermasse (3) vorgesehen. Entsprechend einem Verfahren mit den Merk- malen des Anspruchs 12 ist vorgesehen, dass Wasserdampf aus der gespeicherten Energie derart erzeugt wird, dass ein Kondensat mittels einer Kondensatspeisepumpe, insbesondere über ein Kondensatverteilgefäß, in dem das Kondensatniveau steigt, geleitet wird und dass das Kondensat durch mindestens eine Kondensatleitung auf mit einer Kugelschüttung befüllte Verdampfungsrohre, die sich in dem Wärmespeicher be- finden, verteilt wird, und dort schlagartig verdampft und dass Wasser und Wasserdampf mittels Dampfleitungen in einen Dampfsammelbehälter geleitet wird.

Hinsichtlich eines Hochtemperatur-Wärmespeichers ist ein Großraumwärmespeicher zur Speicherung von Sonnenenergie, Windenergie, Nachtstrom , Energie aus Biomasse oder anderer Energiearten vorgesehen, bei dem die Wärmeenergie in einer großräumigen kompakten Einheit oder in Blöcken (1 , 23,25, 30,37,37a, 39 52), die aus feuerfester Masse (2) gegossen sind, gespeichert wird und die gespeicherte Energie mittels feuerfester Stahlrohre (3), die an einem Ende verschlossen sind und in der feuerfester Masse (2) eingebettet sind, entkoppelt wird. Vorzugsweise sind die Stahlrohre (3) von au- ßen armiert (3a) und/oder mit Dehnungskompensatoren (20) versehen und/oder der Innenraum der Stahlrohren ist mit einer Kugelschüttung (4) aus geschmolzenem Korund, aus feuerfestem Edelstahl oder aus einem anderen feuerfestem Material befüllt. Der Großraumwärmespeicher ist von eigenständig erfinderischer Bedeutung. Er kann u. A. zur Speicherung der Windenergie auf die Weise genutzt werden kann, dass in der feuerfesten Masse (2) elektrische Heizstäbe (24) eingebracht werden,. Dabei wird aus Windenergie gewonnene elektrische Energie in die Wärmeenergie umgewandelt und aus der gespeicherten Wärmeenergie wird nach Bedarf wieder elektrischer Strom erzeugt Die Öffnungen für die Heizstäbe (24) können beim Gießen der feuerfesten Masse schabloniert werden. Der Großraumwärmespeicher kann zur Speicherung der Energie aus der Biomasse auf die Weise genutzt werden, dass am Wärmespeicher (25) eine Feuerung (26) zur Verbrennung der Biomasse integriert wird. In der Biomasse können ein oder mehrere Rauchgaskanäle (27) vorgesehnen werden, durch die die Rauchgase strömen, um ihre Wärme an die feuerfeste Masse (2) abzugeben. In einer Periode windarmer Tage kann die Verbrennung der Biomasse als Ergänzung zur Windenergie beitragen.

Im Sinne der Erfindung bedeuten:

Parabolrinne: ein rinnenartiger Reflektor, der parallel zu einander einfallenden Sonnenstrahlen auf eine brennlinienartige Zone konzentriert und dessen reflektierende Querschnittsfläche nicht zwingend streng parabelförmig ist, so dass an Stelle einer Brennpunktlinie auch eine hinreichend kleine Brennflecklinie (Fokuszone I) akzeptabel ist.

Parabolrinnenkraftwerk: ein solarbetriebenes Kraftwerk zur Bereitstellung insbesondere elektrischer Energie mit Parabolrinnen für das Konzentrieren der einfallenden Sonnenstrahlen auf einen Wärmeadsorber.

Wärmespeichermasse: eine Materialanhäufung zur Speicherung von Wärmeenergie in einem Wärmespeicher.

Gegenparabolrinne: ein länglicher, ggf. rinnenartiger Reflektor, der mehr oder minder konzentriert zu einander einfallende Sonnenstrahlen auf eine brennlinienartige Zone konzentriert und dessen reflektierende Querschnittsfläche nicht zwingend streng parabelförmig ist, so dass an Stelle einer Brennpunktlinie auch eine hinreichend kleine Brennflecklinie (Fokuszone II) akzeptabel ist.

Gemäß dieser Erfindung wird gezeigt, wie man das Sonnenlicht mit Parabolrinnen zweimal konzentrieren kann und dabei hohe Temperaturen erzielen kann und wie man die Sonnenenergie direkt in die Wärmespeichermasse speichert. Weiter wird gezeigt, wie man die gespeicherte Energie aus dem Wärmespeicher entkoppelt und wie man den Wärmekraftprozess optimiert. Die Wärmespeichermasse kann biis zu 800 ° bis

1000 ⁰ C aufgewärmt werden und kann bis zu 100 ⁰ C herunter abgekühlt werden. Damit kann man die Speicherkapazität des Wärmespeichers auf 600 kWh/m ³ bis 750 kWh/m ³ anheben. Durch die einzelnen Aspekte Erfindung gelingt es U.A.:

• die Sonnenenergie noch mehr, als Stand der Technik ist, zu konzentrieren um das exegetische Potenzial der Energie anzuheben, und somit die

Wirtschaftlichkeit des Prozesses zu verbessern,

• die Sonnenenergie in den Hochtemperaturspeicher bei hohen Temperaturen zu speichern und den Speicher bis zu niedrigen Temperaturen abzukühlen,

• den Wärmekraftprozess so zu optimieren, dass es möglich wird, die Wärmespeichermasse bis zu einer niedrigen Temperatur (100 ⁰ C) abzukühlen, die Parabolrinnen so zu gestalten, dass die Sonnenstrahlen maximal konzentriert werden, die Sonnenstrahlung direkt in der Wärmespeichermasse zu speichern,

• den Wärmespeicher möglichst, unmittelbar unter den Parabolrinnen zu positionieren,

• den Wärmespeicher kostengünstig zu und seinen wirtschaftlichen Betrieb zu ermöglichen,

• den Wärmekraftprozess so zu gestalten, dass der Wärmespeicher mit großem ΔT arbeitet, bis zu einer maximalen Temperatur von möglichst bis zu 1000 ⁰ C Sonnenenergie zu speichern und möglichst bis zu einer minimalen Temperatur von möglichst bis zu 100 ⁰ C) abzukühlen,

• den Wärmekraftprozess mit Wasserdampf und Zweistoffgemisch zu betreiben,

• die Isolierung des Wärmespeichers zu optimieren, so dass die Wärmeverluste unter 0.05% in 24 Stunden liegen,

• einen Wärmedurchgangskoeffizienten für die Seiten des Wärmespeichers von möglichst nicht mehr als 0.04 W/m ² K und für den Boden unter 0.07 W/m ² K zu erreichen,

• eine Wärmespeicherkapazität des Wärmespeichers von einem minimalen Wert von 200 kWh/m ³ zu erreichen. Gemäß dem Konzept der Erfindung für ein Parabolrinnenkraftwerk können die Parabolrinnen ohne Absorberrohr und ohne synthetischen Wärmeträger arbeiten, sondern man positioniert im Fokus der primären Parabolrinne eine schmale Gegenparabolrinne, so dass die Sonnenstrahlung zweimal konzentriert wird. Durch den Scheitel der primären Parabolrinne fällt die Sonnenstrahlung direkt auf einen Wärmespeicher. Dort wird sie in Wärme umgewandelt und erwärmt dabei eine Wärmespeichermasse. Die Wärme wird in der Wärmespeichermasse über das ganze Volumen verbreitet; dies kann durch Wärmeleitung geschehen.

Als Wärmespeichermasse kann eine feuerfeste Masse verwendet werden. Sie kann ausgewählt werden aus einer Gruppe von Materialien, umfassend feuerfesten Beton, Schamottmehl, gebranntes Magnesiumoxid, Basaltstein, Produkte mit Beteiligung von Braunkohleflugasche, gemahlenes Porzellan oder ein anderes feuerfestes Material das für entsprechend hohe Temperaturen geeignet ist.

In der Wärmespeichermasse können, insbesondere armierte, Rohre eingebettet sein, wie z.B. Stahlrohre aus hitzebeständigem Stahl. Die Rohre können in die Wärmespeichermasse eingegossen sein. Die Rohre können am unteren Ende, insbesondere luftdicht, verschlossen werden oder sein und können für hohe Drücke ausgelegt sein.

Die in die Wärmespeichermasse eingebetteten Rohre können mit Partikeln, insbeson- dere Kugeln, insbesondere aus Korund oder aus Stahl, befüllt sein. Die Partikel haben die Aufgabe den Wärmeübergang von der Wärmespeichermasse auf ein Wärmeträ- gerfluid, wie verdampfendes Wasser, zu erhöhen. Kugeln haben eine große spezifische Oberfläche und wenn Wasser als Kondensat auf die Kugeln trifft, verdampft es schlagartig. Auf diese Weise wird die Wärmespeichermasse, vorzugsweise von oben nach unten, abgekühlt, um die Wärme dem Kraftwerksprozess zur Verfügung zu stellen.

Die Parabolrinne kann auf einer tragenden Stahlkonstruktion montiert sein und wird e- lektronisch gesteuert der Sonne nachgeführt. Der Antrieb kann über einen elektrischen Motor erfolgen, der mit Getriebe ausgestattet ist. Wenn sich die Drehachse für die Nachführung in oder nahe der Oberfläche der Wärmespeichermasse oder innerhalb derselben befindet, so können die fokussierten Sonnenstrahlen immer auf einer Linie auf die Wärmespeichermasse bzw. deren Oberfläche fallen. Dies geschieht unabhängig davon, in welchem Winkel die Parabolrinne ausgerichtet ist.

Wenn in der Oberfläche der Wärmespeichermasse eine Öffnung vorgesehen ist, die in einen Hohlraum mündet, wird die Strahlungswärme t über die gesamte Oberfläche des Hohlraumes an die Wärmespeichermasse abgegeben. Der Hohlraum kann beim Gießvorgang in die Wärmespeichermasse eingeformt werden Die Innenfläche des Hohlraumes kann schwarz pigmentiert sein oder werden, so dass der Hohlraum einen schwarzen Körper bildet, bei dem die Absorption der Strahlungsenergie maximal ist.

Um die Abstrahlungsverluste der Wärmespeichermasse durch die Oberfläche zu minimieren, kann oberhalb der Wärmespeichermasse eine bewegliche Platte vorgesehen sein. An deren Unterseite kann eine reflektierende Fläche, z. B. aus einem polierten Metall vorgesehen sein. An der beweglichen Platte ist eine schlitzförmige Zone oder Öffnung vorgesehen durch die die Sonnenstrahlen hindurchgehen. Die Öffnung und/oder die Platte bewegt sich in Abhängigkeit von der Drehrichtung der Parabolrinne in die eine oder andere Richtung. Während der Nacht kann die ganze Oberfläche der Wärmespeichermasse mit dieser Platte abgeschirmt werden. An ihrer Oberseite kann die Platte wärmeisoliert sein. Die Platte kann sich beiderseitig auf Rollen stützen, die sich entlang einer Führung, wie einem U-Profil, bewegen. Die Platte kann elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch bewegt werden. Bei einem Wärmespeicher ist es von entscheidender Bedeutung die Wärmeverluste minimal zu halten. Die bewegliche Platte ist daher von eigenständiger erfinderischer Bedeutung. Für die Isolierung des Wärmespeichers wird eine gewisse Prozedur und ein gewisser Aufbau von eigenständig erfinderischer Bedeutung bevorzugt. An der Wärmespeichermasse ist eine Isolierschicht oder -matte von etwa 200 mm Dicke als erste Schicht vorgesehen. Sie kann etwa 1200 ⁰ C im Dauerbetrieb aushalten. Anschließend kommt die Luftschicht die 1000 bis 2000mm, vorzugsweise etwa 1500 mm dick ist. Danach kann eine Ummantelung, vorzugsweise aus Edelstahlblech folgen. Diese kann innen glänzend sein und außen eine Antireflexfläche aufweisen, um die vom Wärmespeicher kommende Wärmestrahlung zu reflektieren. Am Ende kann eine Isolierschicht oder - matte aus Mineral- oder Steinwolle von vorzugsweise 100mm bis 300mm, vorzugsweise von etwa 200 mm Dicke folgen. Die komplette Isolierung kann luftdicht verschlossen sein, damit konvektive Abkühlung der Wärmespeichermasse unterbunden wird. Für die Isolierung des Bodens kann zuerst eine entsprechende Armierung vorgesehen sein, um die Wärmespeichermasse tragen zu können. Auf dem Boden kann eine Feinsandtrag- schüttung ca. 1m dick aufgeschüttet und mittels des Vibrators verdichtet sein. Die Fein- sandschüttung sollte eine Körnung von 0 bis 1 mm nicht überschreiten, damit seine Wärmeleitfähigkeit niedrig gehalten wird. Die Feinsandschüttung kann mit Beton einge- kapselt, so dass die Schüttung durch den Drucklast nicht verdrängt werden kann. Mit so einer konzipierten Isolierung erhält man für den Wärmetransport durch die Seiten des Wärmespeichers einen Wärmedurchgangskoeffizienten von 0.04 W/ m ² K und durch den Boden von 0.07 W/m ² K. Aufgrund der berechneten Wärmedurchgangskoeffizienten lässt sich abschätzen, dass der Wärmeverlust des Wärmespeichers ca. 0.05 % in 24 h beträgt, der als niedrig betrachtet werden kann.

Gemäß einer bevorzugten Betriebsweise sollte die Speichertemperatur bis zu etwa 1000 ⁰ C betragen. Man muss abwägen, mit welchen thermodynamischen Parametern die Kraftanlage betrieben werden soll, d.h., es muss die Relation, der Dampfkraftanlage zur Speicherkapazität balanciert werden. Die Wärmespeicherblöcke können werksmäßig angefertigt und vor Ort unter den Parabolrinnen aufgestellt, isoliert und miteinander angeschlossen werden.

In einem bestimmten Abstand von der Oberfläche der Wärmespeicherblöcke kann eine Glasscheibe aufgestellt sein, durch die die fokussierten Sonnenstrahlen durchgehen und auf der Oberfläche der Wärmespeichermasse über die ganze Länge des Wärmespeichers fallen. Die Glasscheibe wird z. B. aus temperaturbeständigem Thermalglas angefertigt, so dass sie den herrschenden Temperaturen widerstehen kann. Man kann, unter der Annahme, dass die Sonne im Durchschnitt 8 Stunden am Tag scheint, das Volumen des Wärmespeichers so auslegen, dass die, während 8 Stunden, gespeicherte Energie, für die restlichen 16 Stunden ausreicht, um den Strom bis zum nächsten Tag in Kontinuität erzeugen zu können. Dies wäre die preiswerteste Möglichkeit. Man kann auch den Wärmespeicher so auslegen, dass man beim Ausfall der Sonne, aus gespeicherter Energie z.B. eine Woche lang den Strom erzeugt. In jedem Fall ist es interessant zu wissen, wie lange man den Strom aus gespeicherter Sonnenenergie unter wirtschaftlichen Bedingungen erzeugen kann. Eine ausführliche Analyse hat gezeigt, dass für den Fall, dass die Sonne 365 Tage im Jahr an einem Aufstellungsort scheint, sich ein bestimmtes Investitionskostenniveau von (X€/kW) ergibt. Wenn aber die Sonnentage um 10 % niedriger liegen, steigen die Investitionskosten der Anlage um 60%. Daraus kann man schließen, dass es am wirtschaftlichsten ist die Solarkraftwerke dort zu bauen, wo die Sonne über das ganze Jahr scheint.

Wenn man den Wärmespeicher aus Granulat aus warmfestem Material, wie Steinen als Wärmespeichermasse baut, wie z.B. aus Basaltstein, kann man in eine Schüttung aus diesem Material warmfeste, insbesondere außen berippte, Rohre,, wie Stahlrohre, einzusetzen. Diese Lösung ist von eigenständig erfinderischer Bedeutung. Sie ist zum einen interessant, weil der Basaltstein billig ist, zum anderen, weil die Schüttung Hohlräume bildet, die die Sonnenstrahlen leicht einfangen können (Phänomen des schwarzen Körpers), dabei gibt es eine niedrige Gegenreflexion. Um die Temperatur in der Materialschüttung zu vergleichmäßigen, kann ein Zirkulationsgebläse vorgesehen sein, das einen Luftstrom durch die Schüttung wälzt und dadurch die Steintemperatur vergleichmäßigt. Es ist auch denkbar, dass das Granulat einen Partikeldurchmesser zwischen 20 mm und 50 mm hat, damit die Wärme zwischen den einzelnen Partikeln überwiegend durch die Strahlung übertragen wird. Es ist denkbar, dass die oberen Schichten der Wärmespeichermasse ein relativ größeres Granulat haben und die unteren Schichten aus Granulat kleinerem Durchmesser bestehen, weil durch die Luftzirkulation die Wärme besser an das feinere Granulat übertragen wird. Verdampfungsrohre, die in das Granulat eingetaucht werden oder sind,, können außen berippt werden. Auf diese Weise wird die Wärme durch die Strahlung und Konvektion von der Schüttung an die Rohrrippen und an die Rohrwand übertragen. Von der Rohrinnenwand wird die Wärme weiter (sofern vorgesehen) an die Korundkugeln im Rohrinneren durch die Wärmeleitung und durch die Strahlung übertragen. Anstatt der Korundkugeln kann man die Stahlgusskugeln verwenden.

An den Verdampfungsrohren können Kondensatzuführungsrohre, die insbesondere senkrecht und parallel zur Rohrachse positioniert sind, angeschlossen sein oder werden, so dass das Kondensat auf die Partikelschüttung gleichmäßig verteilt wird. Da die Partikel heiß sind, verdampft das Kondensat schlagartig und es entsteht der Wasserdampf, der in einem Dampfsammelbehälter angesammelt wird. Der Dampfdruck im Dampfsammelbehälter wird geregelt und konstant gehalten. Der Wasserdampf wird nach Bedarf in die Wasserdampfturbine geleitet.

Der Wärmekraftprozess stellt eine neue Anordnung und Betriebsverfahren von eigenständig erfinderischer Bedeutung dar. Demnach setzt sich der neue Kreisprozess aus vier Teilkreisprozessen zusammen. Auf einer Welle befinden sich eine Wasserdampf- turbine und drei Turbinen die mit Zweistoffgemisch arbeiten. Alle vier Turbinen treiben gemeinsam die Welle in Drehbewegung an. In einer Wasserdampfturbine entspannt sich der Wasserdampf auf 5 bar und bis zu einer Temperatur die größer als 152 ⁰ C ist (Sättigungstemperatur). Nach der Entspannung wird der Abdampf in einen Wärmetauscher geleitet und dort übergibt er einen Teil seiner Wärme an einen Heizwasserkreis- lauf. Das Zweistoffgemisch verdampft der Reihe nach indem es drei Verdampfer durchläuft und in jedem der drei Verdampfer eine Teilmenge verdampft. In den Verdampfern für Zweistoffgemisch herrschen verschiedene thermo-dynamische Zustände. Auf diese Weise hat man drei getrennte Kreisprozesse, wobei für jeden Kreisprozess eine Turbine zuständig ist. Das Heizwasser tritt in den ersten Verdampfer mit der Temperatur von 150 ⁰ C ein und verlässt den letzten Verdampfer mit der Temperatur von 55 ⁰ C. Auf diese Weise erreicht man im Wasserdampfkreislauf einen theoretischen Wirkungsgrad von 25 % (dabei wurde ein Dampfdruck von 100 bar und die Dampftemperatur 500 ⁰ C zu Grunde gelegt). Mit drei Kreisprozessen die mit Zweistoffgemisch arbeiten erreicht man insgesamt 25.5% theoretischen Wirkungsgrad. Daraus wird ersichtlich, dass man auf diese Weise den gesamten Wirkungsgrad der Anlage auf 50.5 % anheben kann. Hier sind nicht die standardmäßigen Maßnahmen zur Wirkungsgraderhöhung eines Kreis- Prozesses berücksichtigt worden, wie Speisewasservorwärmung und mehrstufige Dampfübe rhitzung.

Wenn man standardgemäß nur mit einer Dampfturbine arbeitet und den Wasserdampf bis zu 0.04 bar entspannen lässt (Vakuumkondensation), ergibt sich ein theoretischer Wirkungsgrad von 42 %. Die Kombination Wasserdampf - Zweistoffgemisch bringt den Vorteil, dass man die Wärmespeichermasse bis 100 ⁰ C herunter abkühlen kann, weil das Heizwasser in den zweiten Verdampfer mit der Temperatur 100 ⁰ C eintritt. Wenn der Wärmespeichermasse bis 100 ⁰ C abgekühlt wird, arbeiten der Kreisprozess III und der Kreisprozess IV und die beiden Kreisprozesse ergeben einen theoretischen Wirkungsgrad von insgesamt 12.5 %. Man kann nun wahlweise abwägen, ob man mit drei Kreisprozessen oder mit zwei Kreisprozessen arbeitet. Das ist nur die Frage der Anlagengröße und der Wirtschaftlichkeit. Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile und Verfahrensschritte unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung und der zugehörigen Zeichnung, in der - beispielhaft - ein Solarkraftwerk dargestellt ist. Auch einzelne Merkmale der Ansprüche oder der Ausführungsformen können mit anderen Merkmalen anderer Ansprüche und Ausführungsformen kombiniert werden.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

In der zeigen: Figur 1 eine Prinzipsskizze, der Parabolrinne mit Gegenspiegel und mit Wärmespeicher, der aus feuerfestem Beton angefertigt und in Blockform ausgegossen ist, sowie die Isolierung des Wärmespeichers bei einer senkrechten Position der Parabolrinne;

Figur 2 dieselbe Parabolrinne samt Wärmespeicher wie in Figur 1 bei einer Position der Parabolrinne in Westlage (Nordhalbkugel der Erde und von Nord nach Süd betrachtet) Figur 3 dieselbe Parabolrinne samt Wärmespeicher wie in Figur 1 bei einer Position der Parabolrinne in Ostlage (Nordhalbkugel der Erde und von Nord nach Süd betrachtet)

Figur 4 ein Verdampfungsrohr mit Füllkugeln mit Kondensatzuführungsleitung, sowie Abdampfleitung;

Figur 5.1 eine Seitenansicht der Anlage nach Figur 1 ;

Figur 5.2 eine Draufsicht der Anlage nach Figur 1 ;

Figur 6.1 eine Prinzipsskizze der Parabolrinne mit Gegenspiegel und Wärmespeicher im Querschnitt; der Parabolspiegel befindet sich in senkrechter Position; der

Wärmespeicher ist mit Granulat aus feuerfestem Stein befüllt, ferner ist ein

Zirkulationsgebläse zur Vergleichmäßigung der Temperatur im Wärmespei- eher vorgesehen sowie eine Isolierung des Wärmespeichers, dargestellt;

Figur 6.2 die Anordnung nach Figur 6.1 in Seitenansicht (Schnitt entlang der Linie B - B gemäß Figur 6.1) Figur 6.3 die Anordnung nach Figur 6.1 in Draufsicht(Schnitt entlang der Linie A - A gemäß Figur 6.1) ; Figur 7 ein beripptes Rohr gemäß Figur 6.1 ;

Figur 8 eine Prinzipsskizze der berippten Rohre und der dazwischen liegenden

Schüttung aus feuerfestem Granulat;

Figur 9 ein Prinzipsschema der kombinierten Kreisprozesse, Wasserdampf- Zweistoffsystem, angebunden an ein Wärmespeichersystem; Figur 9.1 die Anlage, gemäß Figur 9 in Draufsicht;

Figur 10 eine Vertikalansicht auf einen weiteren Wärmespeicher mit rundherum liegenden konzentrierenden Spiegeln; Figur 11 denselben Wärmespeicher in Horizontalschnittdarstellung von oben;

Figur 12 eine ähnliche Ausführung des Wärmespeichers für den Einsatzbereich-zur

Speicherung von Windenergie, in Vertikalschnittansicht; Figur 13 eine Ausführungsmöglichkeit eines weiteren Wärmespeichers gemäß der gleichzeitig oder ergänzend Windenergie und Energie aus Biomasse gespeichert werden können, in Vertikalschnittansicht;

Figur 14 eine Ausführungsmöglichkeit eines noch weiteren Wärmespeichers wonach die Sonnenstrahlen mittels konzentrierenden Spiegel ihre Energie über einen Absorber an komprimierte Luft abgeben, in Vertikalschnittansicht;

Figur 15 eine weitere Anwendungsmöglichkeit eines Wärmespeichers zur Speicherung von Windenergie schematisch dargestellt, in Vertikalschnittansicht; Figur 16 einen weiteren Wärmespeicher, gegossen aus feuerfester Betonmasse als Monoblock ausgegossen dargestellt, in Vertikalschnittansicht;

Figur 17 einen noch weiteren Wärmespeicher für die Speicherung von Windenergie, in Vertikalschnittansicht;

Figur 18 eine weitere Ausführungsmöglichkeit eines Wärmespeichers wonach Sonnenenergie und Windenergie gleichzeitig oder separat gespeichert werden können je nach dem wie groß das Energieangebot ist, in Vertikalschnittan- sieht;

Figur 19 einen weiteren Wärmespeicher in Vertikalschnittansicht;

Figur 19A denselben Wärmespeicher in Horizontalschnittansicht;

Figur 20 eine Variante zur Speicherung verschiedener Energiearten, die eine wirtschaftliche und preiswerte Alternative zeigt mit einem Wärmespeicher, in Vertikalschnittansicht; Figur 20 A denselben Wärmespeicher im Detail;

Figur 21 eine noch weitere Ausführungsmöglichkeit, der gemäß Sonnen- und Windenergie gleichzeitig gespeichert werden können, in Vertikalschnittansicht; Figur 22 eine abermals weitere Ausführungsmöglichkeit der gemäß ein Wärmespeicher lediglich für die Speicherung der Windenergie genutzt wird, in Vertikalschnittansicht; sowie

Figur 23 einen Wärmespeicher so geformt, dass er gleichzeitig als Feuerung und

Wärmespeicher dient, in Vertikalschnittansicht. DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN

Das erfindungsgemäße Konzept der Parabolrinnenkraftwerke gemäß Figur 1. Figur 2, Figur 3, Figur 4, Figur 5. Figur 5.1 , Figur 5.2 sieht vor, dass die Parabolrinnen 1 ohne Absorberrohr und ohne synthetischem Wärmeträger arbeiten, sondern, dass man im Fokus 1.1 der primären Parabolrinne 1 eine schmale Gegenparabolrinne 2 positioniert, so dass die Sonnenstrahlen noch einmal konzentriert werden und durch den Scheitel der primären Parabolrinne 1 direkt auf die Oberfläche 10 einer Wärmespeichermasse 3 durch eine Öffnung fallen. Die Öffnung ist beim Gießvorgang des Wärmespeichers 3 geformt und sie mündet in einen Hohlraum 10.1 dessen Oberfläche schwarz pigmentiert ist, so da die Sonnenstrahlen in diesem Hohlraum10.1 eingefangen werden (der Hohlraum verhält sich wie ein schwarzer Körper), dort werden sie in Wärme umgewandelt und erwärmen dabei die Wärmespeichermasse 3 bis zu einer verhältnismäßig hohen Temperatur. Die Wärme wird anschließend in der Wärmespeichermasse 3 über das ganze Volumina durch die Wärmeleitung verteilt. In der Wärmespeichermasse 3 sind armierte Stahlrohre 4 aus hitzebeständigem Stahl eingegossen. Die Stahlrohre 4 sind am unteren Ende luftdicht verschlossen und können verhältnismäßig hohen Drücken standhalten. Als feuerfeste Masse 3 kann feuerfester Beton, angefertigt aus Schamottmehl oder aus gebranntem Magnesiumoxid oder aus Basaltstein, aus gemah- lenem Porzellan oder aus einem anderen feuerfesten Material, der für hohe Temperaturen geeignet ist, verwendet werden. Für die Wärmespeichermasse 3 werden auch die Produkte mit Beteiligung von Braunkohleflugasche verwendet.

Die in der feuerfesten Masse 3 eingegossenen Stahlrohre 4 sind mit Kugeln 5 aus Ko- rund oder aus Stahl befüllt. Die Kugeln 5 haben die Aufgabe den Wärmeübergang von feuerfester Masse 3 auf verdampfendes Wasser zu erhöhen. Die Kugeln 5 haben eine große spezifische Oberfläche. Wenn Wasser auf die Kugeln fällt, verdampft es schlagartig. Auf diese Weise wird die feuerfeste Masse 3 von oben nach unten abgekühlt. Die Parabolrinne 1 ist auf einer tragenden Stahlkonstruktion 6 montiert, wird elektronisch gesteuert und der Sonne nachgeführt. Der Antrieb erfolgt über einen E-Motor 7 der mit Getriebe 8 ausgestattet ist. Es ist bevorzugt, dass sich die Achse der Verstell- WeIIe 9 in einer Ebene mit der Oberfläche 10 der Wärmespeichermasse 3 befindet, so dass die fokussierten Sonnenstrahlen immer auf die Oberfläche 10 der Wärmespeichermasse 3 fallen, unabhängig davon, welchen Winkel die Parabolrinne 1 zur Sonne annimmt.

Um die Abstrahlungsverluste der Wärmespeichermasse 3 durch die Oberfläche zu minimieren, ist eine bewegliche Platte 11 vorgesehen, an deren unteren Seite eine Antire- flexfläche 11.1 aus einem polierten Blech angebracht ist. Auf der beweglichen Platte 11 ist eine schlitzförmige Öffnung 12 vorgesehen durch die die Sonnenstrahlen hindurchgehen.

Die Platte 11 gleitet in die eine oder andere Richtung in Abhängigkeit von der Drehrichtung der Parabolrinne 1. Während der Nacht ist die ganze Oberfläche der Wärmespei- chermasse 10 mit dieser Platte 11 abgeschirmt. Von der oberen Seite ist die Platte 11 wärmeisoliert. Die ganze Platte 11 stützt sich beiderseitig auf die Rollen die sich auf einem U-Profil bewegen. Die Platte 11 kann elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch betrieben werden. Bei einem Wärmespeicher 3 ist es von entscheidender Bedeutung die Wärmeverluste maximal zu unterbinden.

Für die Isolierung des Wärmespeichers 3 wird eine gewisse Prozedur eingehalten. In der Wärmespeichermasse 3 ist eine Isoliermatte 13 von 200 mm Dick als erste Schicht vorgesehen, die 1200 ⁰ C im Dauerbetrieb aushalten kann. Anschließend kommt eine Luftschicht 14 von 1500 mm Dicke und danach Edelstahlblech (Glanz) 15 als Antire- flexblech um die kommende Wärmestrahlung vom Wärmespeicher 3 zu reflektieren und am Ende folgt eine Isoliermatte 16.

Die komplette Isolierung ist luftdicht verschlossen, damit eine konvektive Strömung und damit eine Abkühlung der Wärmespeichermasse 3 unterbunden wird. Für die Isolierung des Bodens, ist ein Konzept vorgesehen, wonach auf einer Feinsandschüttung aus feuerfestem Isolierbeton, eine Isolierplatte 17 aufgesetzt wird, die gleichzeitig als Tragplat- te für den Wärmespeicher 3 dient. Auf dem Betonboden ist eine Feinsandtragschüttung 18 ca. 1m dick aufgeschüttet und mittels eines Vibrators verdichtet. Die Feinsandschüt- tung 18 soll die Körnung von 0 bis 1 mm haben damit seine Wärmeleitfähigkeit niedrig gehalten wird. Die Feinsandschüttung 18 ist in einer Betongrube 19 eingekapselt, so dass die Schüttung 18 durch die Drucklast nicht verdrängt werden kann.

Durch eine so konzipierte Isolierung erhält man für den Wärmetransport durch die Seiten des Wärmespeichers 3 einen Wärmedurchgangskoeffizienten von 0.04 W/ m ² K und durch den Boden 0.07 WAn ² K. Aufgrund der berechneten Wärmedurchgangs- koeffizienten lässt sich abschätzen, dass der Wärmeverlust des Wärmespeichers von ca. 0.05 % in 24 h beträgt, der als niedrig betrachtet werden kann.

Da die Speichertemperatur bis zu. 1000 ⁰ C betragen soll, muss man abwägen mit welchen thermodynamischen Parametern die Kraftanlage betrieben werden soll, d.h., es muss die Relation, Dampfkraftanlage zur Speicherkapazität balanciert werden. Die Wärmespeicherblöcke 3 sind werksmäßig angefertigt und werden vor Ort unter den Pa- rabolrinnen 1 aufgestellt, isoliert und miteinander angeschlossen.

Auf einem bestimmten Abstand von der Oberfläche 10, 10.1 der Wärmespeicherblöcke 3 ist eine Glasscheibe 20 vorgesehen, durch die die Sonnenstrahlen durchgehen und auf der Oberfläche 10.1 der Wärmespeichermasse 3 fallen. Die Glasscheibe 20 ist aus temperaturbeständigem Thermalglas angefertigt, so dass sie den herrschenden Temperaturen widerstehen kann. Die Verdampfungsrohre 4 sind an eine Kondensatleitung 21 und eine Dampfleitung 22 angeschlossen. Das Kondensat wird mittels der Kondensatleitung 21 auf die Kugel- schüttung 5 verteilt. Weil die Kugelschüttung 5 heiß ist, verdampft das Wasser schlagartig und der Wasserdampf wird mittels der Dampfleitungen 22 in einen Dampfsammebehälter 39 geleitet. Die Verdampfungsrohre 4 sind auf der Oberfläche mit einer Armie- rung 23 versehen, so dass sie mit feuerfester Masse 3 eine Vernetzung bilden. Beim Ausgießen der Wärmespeicherblöcke sind die Öffnungen 3.1 darin gelassen. Dort kann man auch elektrische Heizstäbe 5.1 einbauen, um unter Umständen, Windenergie oder andere Energie speichern zu können. Die Kondensatzuführung in die Verdampfungsrohre 4 erfolgt über ein Kondensatverteilungsgefäß 24 indem das Kondensatniveau gleich mit dem Kondensatniveau in den Kondensatzuführungsleitungen 21 gehalten wird, gemäß dem Gesetz der kommunizierenden Gefäße. Durch die Niveauanhebung des Kondensats im Gefäß 24 kommt es automatisch zur Niveauanhebung in den einzelnen Kondensatzuführungsleitungen 21 , das Kondensat wird in die Verdampfungsrohre 4 dosiert. Das Kondensat wird mittels der Kolbenpumpe 25 gefördert.

Die Besonderheit gemäß der Figuren 6.1 , 6.2 und Figur 6.3 ist, dass man den Wärmespeicher 3 mit Granulat 26 aus warmfesten Steinen befüllen kann, wie z.B., Basaltstein oder Granitsteine. In der Basaltsteinschüttung wird ein beripptes warmfestes Stahlrohr 27 eingesetzt. Diese Lösung ist zum einen interessant, weil der Basaltstein billig ist, zum anderen, weil die Schüttung die Hohlräume bildet, die die Sonnenstrahlen leicht einfangen können (Phänomen des schwarzen Körpers). Dabei gibt es eine niedrige Gegenreflexion. Um die Temperatur in der Basaltschüttung zu vergleichmäßigen ist ein Zirkulationsgebläse 28 vorgesehen, das den Luftstrom durch die Schüttung wälzt und dadurch wird die Steintemperatur vergleichmäßigt. Man kann sich vorstellen, dass die Körner einen Durchmesser zwischen 20 mm und 50 mm haben sollen, weil die Wärme zwischen den einzelnen Körnern meistens durch die Strahlung übertragen wird. Es ist denkbar, dass die oberen Schichten ein Granulat mit größerem Korn haben sollen und die unteren Schichten aus Granulat kleineren Durchmessers vorgesehen werden, weil durch die Luftzirkulation die Wärme besser an das feinere Granulat übertragen wird. Die Rohre 27, die im Granulat 26 eingetaucht sind, sind stark berippt, so dass die Wärme durch die Strahlung und Konvektion von der Schüttung an die Rohrrippen 27.1 und an die Rohrwand übertragen wird. Von der Rohrinnenwand wird die Wärme weiter an die Korundkugeln 5 durch die Wärmeleitung und durch die Strahlung übertragen. Anstatt der Korundkugeln 5 kann man die Stahlgusskugeln verwenden. An den Verdampfungsrohren 27 sind Kondensatzuführungsrohre 21 , die senkrecht und parallel zur Rohrachse 4,27 positioniert sind, angeschlossen, so dass Kondensat auf die Korundkugelschüttung 5 gleichmäßig verteilt wird. Da die Korundkugeln 5 heiß sind, verdampft Wasser schlagartig und es entsteht der Wasserdampf der in einem Dampfsammelbehälter 39 angesammelt wird. Der Dampfdruck im Dampfsammelbehälter 39 wird geregelt und konstant gehalten. Der Wasserdampf wird nach Bedarf in die Wasserdampfturbine geleitet. In Figur 7 und Figur 8 ist das berippte Rohr 27 mit Rippen 27.1 dargestellt, sowie schematische Darstellung der Anordnung der berippten Rohre 27 in der Schüttung 26.

Das erfindungsgemäße Konzept, gemäß Figur 9 und Figur 9.1 ist eine neue Konzeption des Wärmekraftprozesses. Der Kreisprozess setzt sich aus vier Teilkreisprozessen zu- sammen. Auf einer Welle 29 befindet sich eine Wasserdampfturbine 30 und drei Turbinen 31 , 32, 33 die mit Zweistoffgemisch arbeiten. Alle vier Turbinen 30, 31 , 32, 33 sind auf einer Welle 29 gesetzt und gemeinsam setzen sie die Welle 29 in Drehbewegung. In der Wasserdampfturbine 30 entspannt der Wasserdampf auf 5 bar Druck und bis zu einer Temperatur die größer als 152 ⁰ C ist (Sättigungstemperatur). Nach Entspannung wird Abdampf in einen Wärmetauscher 34 geleitet und dort übergibt er seine Wärme auf einen Heizwasserkreislauf 35, der reihe nach drei Verdampfer 36, 37, 38 durchläuft und in jedem der drei Verdampfer 36, 37, 38 verdampft das Zweistoffgemisch. In den Verdampfern 36, 37, 38 für Zweistoffgemisch herrschen verschiedene thermodynamische Zustände. Auf dieser Weise hat man drei getrennte Kreisprozesse (II, III, IV), wobei für jeden Kreisprozess eine Turbine zuständig ist. Das Heizwasser tritt in den ersten Verdampfer 36 mit der Temperatur 150 ⁰ C ein und verlässt den letzten Verdampfer 38 mit der Temperatur von 55 ⁰ C. Auf diese Weise erreicht man im Wasserdampfkreislauf (I) den gesamten theoretischen Wirkungsgrad von 25 % (dabei wurde der Dampfdruck 100 bar und die Dampftemperatur 500 ⁰ C zu Grunde gelegt) und mit drei Kreisprozesse (II, III, IV) die mit Zweistoffgemisch arbeiten, erreicht man insgesamt 25.5 % den theoretischen Wirkungs-grad. Daraus wird ersichtlich, dass man auf diese Weise den gesam- ten theoretischen Wirkungsgrad der Anlage auf 50.5 % anheben kann. Hier sind nicht die standardmäßigen Maßnahmen zur Wirkungsgraderhöhung eines Kreisprozesses berücksichtigt worden wie Speisewasservorwärmung und mehrstufige Dampfüberhit- zung.

Wenn man standardmäßig, nur mit Dampfturbine 30 arbeitet und den Wasserdampf bis zu 0.04 bar entspannen lässt (Vakuumkondensation), ergibt sich ein theoretischer Wirkungsgrad von 42%. Die Kombination Wasserdampf- Zweistoffgemisch bringt den Vorteil, dass man die Wärmespeichermasse bis 100 ⁰ C herunter abkühlen kann, weil das Heizwasser in den zweiten Verdampfer 37 mit der Temperatur von 100 ⁰ C eintritt. Wenn der Speicher bis 100 ⁰ C abgekühlt wird, arbeiten die Kreisprozesse (III und IV) und sie ergeben einen theoretischen Wirkungsgrad von insgesamt 12.5%. Man kann nun wahlweise abwägen, ob man mit drei Kreisprozessen (II, III, IV) oder mit zwei Kreisprozessen (II, III) arbeitet. Das ist nur die Frage der Anlagengröße und der Wirtschaftlichkeit. Weitere Wege zur Ausführung eines Großraumwärmespeichers:

Ein Großraumwärmespeicher 101 gemäß Figur 10 hat eine aus Gießmasse 102 gegossene quaderförmige, runde oder andere Gestalt, die einen kompakten Wärmespeicherblock darstellt. Die Gießmasse 102 kann aus feuerfestem Beton bestehen der nach dem Gießvorgang in einer bestimmten Zeit erhärtet. In der feuerfesten Masse sind Rohre 103 aus hitzebeständigem Stahl eingebettet und vorher ggf. armiert und mit Kom- pensatoren zur Aufnahme der Wärmedehnung versehen und mit der Gießmasse vergossen. Die Rohre sind am unteren Ende verschlossen und am oberen Ende offen. Um die Wärme von den Rohren an die sie durchströmende Luft besser zu übertragen, kön- nen die Rohre mit einer Kugelschüttung 104, die hohe Temperaturen aushalten kann, befüllt. Der Werkstoff für die Kugelschüttung kann aus geschmolzenem Korund, aus feuerfestem Edelstahl oder aus einem anderen temperaturbeständigen Werkstoff vorgesehen werden. Die Rohre ragen aus der feuerfesten Betonmasse hinaus und werden in einen Dampfsammelbehälter 105 geführt. Die Rohre können mit dem Boden des Dampfsammelbehälters 105 luftdicht verschweißt sein. Am oberen Ende der Rohre können Wassereintrittsöffnungen 106 vorgesehen sein, durch die Wasser oder Kondensat in die Rohre hineintropfen kann. Die Grundform der feuerfesten Masse kann beliebig gestaltet werden. Im Falle einer quaderförmiger Ausführung sind die Sonneneinstrahlungsflächen 107 konvex geformt, und können mit einer Verglasung, insbeson- dere einer Doppelverglasung 108 luftdicht abgeschirmt so, dass keine zirkulierende Bewegung der Luft zwischen Doppelverglasung und der Sonneeinstrahlungsfläche möglich ist. Die Sonneeinstrahlungsfläche kann schwarz pigmentiert sein und dient als Absorberfläche. Die Sonnenstrahlen werden mittels konzentrierender Spiegel 109 durch die Doppelverglasung auf die Einstrahlungsfläche konzentriert, dabei entsteht eine Temperatur bis 1000 ⁰ C. Die Wärme wird anschließend durch die Betonmasse durch Wärmeleitung transportiert. Die Temperatur in der Betonmasse strebt zu einem Beharrungszustand. Die Energie der Sonnenstrahlen sollte immer größer sein als die entkoppelte Energie aus der Betonmasse so, dass der Temperatur zwischen einem maximalen und einem minimalen Wert schwankt. Diese Werte werden bei der Auslegung des Speichers festgelegt.

Die Wärmeentkoppelung aus der Wärmespeichermasse erfolgt auf die Weise, dass Kondensat in den Dampfsammelbehälter 105 geleitet wird, durch die Öffnungen 6 in die Verdampfungsrohre einfließt, verteilt wird auf die in den Verdampfungsrohren befindliche Kugelschüttung, die eine hohe Temperatur und große spezifische Oberfläche hat, und dort schlagartig verdampft. Der Wasserdampf steigt in den Dampfsammeiraum 110 auf, wobei sich ein Dampfdruck aufbaut. Der so gebildete Wasserdampf mit einem be- stimmten Dampfdruck wird anschließend in eine Dampfturbine 111 geleitet und mittels des Stromgenerators 112 wird elektrischer Strom erzeugt. Die Regelung der Anlage erfolgt auf die Weise, dass der Dampfdruck im Dampfsammeiraum 110 mittels einer Kondensatspeisepumpe 113 konstant gehalten wird. Nach Dampfbedarf, wird die Kondensatspeisepumpe aktiviert, die Pumpe speist das Kondensat in den Dampfsammel- behälter ein und die weitere Prozedur verläuft wie oben beschrieben. Die Drehzahl der Dampfturbine wird mittels des Dampfregelventils 114 geregelt. Die Isolierung des Wärmespeichers ist z. B. so konzipiert, wie weiter oben beschrieben. Um die Wärmeverluste durch die Wärmeabstrahlung während der Nacht zu vermindern sind Einrichtungen 119, wie wärmeisolierte Tore vorgesehen, die nachtsüber die Ein- Strahlungsfläche 107 abdecken.

Figur 11 ist eine Draufsicht auf den Wärmespeicher mit rundherum liegenden konzentrierenden Spiegeln 109 dargestellt. In Figur 12 ist eine ähnliche Ausführung des Wärmespeichers für den Einsatzbereich- zur Speicherung von Windenergie dargestellt. Aus einer Windanlage 122 wird elektrischer Strom zum Wärmespeicher geleitet. Im Wärmespeicher sind elektrische Heizstäbe 124 in horizontaler Anordnung in Öffnungen eingebracht, die beim Gießvorgang des Wärmespeichers 123 berücksichtigt sind. Der Windstrom wird in die Heizstäbe geleitet, die die Wärme an die Wärmespeichermasse abgeben.

In Figur 13 ist eine Ausführungsmöglichkeit gezeigt der gemäß gleichzeitig oder ergänzend Windenergie und Energie aus der Biomasse gespeichert werden können. Vor dem Wärmespeicher 125 ist eine Feuerung 126 angebracht. In der Wärmespeichermasse ist ein Rauchgaskanal 127 ausgespart so, dass die Rauchgase aus dem Feuerraum durch den Rauchgaskanal strömen. Dort geben sie ihre Wärme an die Wärmespeichermasse 102 ab und erwärmen sie. In der Wärmespeichermasse befinden sich Heizstäbe 124 (wie in Figur 12). Durch die Biomasse kann man z.B. die Unzulänglichkeit (Ermangelung) an Windenergie kompensieren. Die Rauchgase werden mittels eines Gebläses 128 durch die Wärmespeichermasse gefördert.

In Figur 14 ist eine Ausführungsmöglichkeit gegeben, wonach die Sonnenstrahlen mittels konzentrierendem Spiegel 109 ihre Energie über einen Absorber 129 an die komprimierte Luft abgeben. Die heiße Luft aus dem Absorber strömt durch Rohre, die in den Wärmespeicherblock 130a eingebettet sind und mit Wärmespeichermasse vergossen sein können. Sie gibt ihre Wärme an die Wärmespeichermasse ab und sie wird samt ihrer Restwärme in eine Luftturbine 131 geleitet, dort auf Atmosphärendruck entspannt und mittels eines Stromgenerators 132 wird elektrischer Strom erzeugt. Ein Teil der in der Turbine erzeugten Leistung wird an einen Verdichter 133 abgegeben, um die Außenluft zu komprimieren. Die Außenluft wird durch einen Einlass 134 in den Verdichter eingesaugt und auf einen bestimmten Druck komprimiert. Bei der Luftkompression steigt die Lufttemperatur an.

Die Anlage kann in Betrieb genommen werden, wenn die Wärmespeichermasse eine Temperatur von z. B. 400 ⁰ C erreicht. Bei dieser Temperatur und einem Luftdruck von etwa 10 bar kann der Stromgenerator 131 und Verdichter 133 betrieben werden. Für die konkreten Betriebsbedingungen, beim Luftdruck von 10 bar, beträgt die Verdichtungsendtemperatur der Luft 292 ⁰ C. Um die Luft auf 400 ⁰ C zu erwärmen braucht man ein ΔT von 108 ⁰ C. Für diese Verhältnisse ist nach der Turbine 132 die Entspannungsendtemperatur der Luft 75 ⁰ C. Damit beträgt der theoretische Wirkungsgrad für adiabate Entspannung und adiabate Verdichtung 30 %.

Wenn die Wärmespeichermasse die Temperatur 1000 ⁰ C erreicht, dann tritt die Luft aus der Wärmespeichermasse mit, theoretisch, maximal 1000 ⁰ C aus und wenn man von einem Verdichtungsdruck von 60 bar ausgeht, ergibt sich eine Verdichtungsendtempe- ratur von 670 ⁰ C. Die Entspannungsendtemperatur der Luft nach der Turbine 132 beträgt 122 ⁰ C und damit ergibt sich der theoretische Wirkungsgrad von 43.5 %.

Während der Nacht, wird der Strom aus der gespeicherten Wärme erzeugt. Das geschieht z. B., auf die Weise, dass durch Schließen des Ventils 134 und öffnen des Ven- tüs 135 die komprimierte Luft aus dem Verdichter 133 in die Wärmespeicherblöcke 130 geleitet wird. Dort wird die Luft erwärmt und in die Turbine 131 geleitet. Es gilt die gleiche Prozedur wie weiter oben beschrieben. Die Regelung der Turbinendrehzahl erfolgt mittels der Regelklappe 136 die am Einlass des Verdichters positioniert ist. In Figur 15 ist schematisch eine weitere Anwendungsmöglichkeit zur Speicherung der Windenergie dargestellt. In den Speicherblöcken 130a sind die Heizstäbe 124 einge- bracht. Mittels der Heizstäbe wird der Strom aus der Windanlage 122 in den Speicherblöcken in Wärmeenergie umgewandelt. Die Ausführungsprinzip ist mit dem Ausführungsprinzip gemäß Figur 14 identisch: Die atmosphärische Luft wird mittels des Verdichters 133 auf einen bestimmten Druck verdichtet und wird anschließend in die Wär- mespeicherblöcke 130 geleitet. Dort wird sie auf eine höhere Temperatur als die Verdichtungstemperatur erwärmt und wird anschließend in die Turbine 131 geleitet. In der Turbine entspannt die Luft bis zum atmosphärischen Druck und bis einer Temperatur die höher als die Umgebungstemperatur liegt. Durch die Luftentspannung in der Turbine wird mittels des Stromgenerators 132 elektrischer Strom erzeugt. Ein Teil der Leistung wird an den Verdichter 133 abgegeben um die Außenluft zu komprimieren.

Gemäß Figur 16 ist der Wärmespeicher 101 aus feuerfester Betonmasse 102 als Mo- noblock ausgegossen dargestellt. In der Betonmasse sind feuerfeste Stahlrohre 103 mit Armierung 103a aus Edelstahldraht eingebettet. In den Stahlrohren befindet sich eine Kugelschüttung 104 um den Wärmeübergang an die, durch die Stahlrohre strömende Luft zu intensivieren. Die betreffende Ausführung ist zum Zwecke der Speicherung der Sonnenenergie vorgesehen. Die Grundform der feuerfesten Masse kann beliebig gestaltet werden. Im Falle einer quaderförmiger Ausführung sind die Sonneneinstrahlungsflächen 7 konvex geformt, und mit einer Doppelverglasung 108 luftdicht abgeschirmt so, dass keine zirkulierende Bewegung der Luft zwischen Doppelverglasung und der Sonneeinstrahlungsfläche möglich ist. Die Sonneeinstrahlungsfläche ist schwarz pigmentiert und dient als Absorberfläche. Die Sonnenstrahlen werden mittels konzentrierender Spiegel 109 durch die Doppelverglasung auf die Einstrahlungsfläche konzentriert, dabei entsteht die Temperatur bis 1000 ⁰ C und die Wärme wird anschließend durch die Be- tonmasse durch Wärmeleitung übertragen. Aus der, in der Wärmespeichermasse gespeicherten Hochtemperaturwärme, wird die Energie mittels der Luft entkoppelt. Im Verdichter 133, wird die Außenluft auf einen bestimmten Druck verdichtet, wird anschließend in den Wärmespeicher geleitet und aufgewärmt auf eine Temperatur die unwesentlich niedriger als die Temperatur der Wärmespeichermasse ist. Die heiße Luft wird anschließend in die Luftturbine 131 geleitet. Dort entspannt sie auf den atmosphärischen Druck und auf eine Temperatur die höher als die Umgebungstemperatur ist. Die Turbinenleistung wird mittels des Stromgenerators 132 in den elektrischen Strom umgewandelt. Ein Teil der Turbinenleistung wird an den Verdichter 133 abgegeben um die Außenluft zu komprimieren. In Figur 17 ist der Wärmespeicher wie in Figur 16 jedoch für die Speicherung der Windenergie. Der Unterschied zu Figur 16 liegt lediglich darin, daß in der Wärmespeichermasse 102 die elektrischen Heizstäbe 124 in die ausgesparten Öffnungen die beim Gießvorgang vorgesehen werden, eingebracht werden. Die Heizstäbe 124 wandeln die elektrische Energie in die Wärme um. Dabei wird die Wärmespeichermasse auf 1000 ⁰ C erwärmt und mittels der Luft als Wärmeübertragungsmedium, identisch wie in Figur 16, wird aus der gespeicherten Energie Strom erzeugt. Der andere Unterschied zur Figur 16 ist der, dass der Speicher 137 keine konvexe Einstrahlungsflächen und Doppelver- glasung benötigt. Aus diesem Grunde ist der Wärmespeicher 137 rundherum isoliert. In Figur 18 ist eine Ausführungsmöglichkeit gezeigt wonach die Sonnenenergie und die Windenergie gleichzeitig oder separat gespeichert werden können je nach dem wie groß das Energieangebot ist. Die Ausführungsform ist wie in Figur 16 dargestellt, jedoch mit den in der Wärmespeichermasse 102 eingebrachten Heizstäben 124 die Ihre Wärme an die Wärmespeichermasse abgeben.

In Figur 19 ist schematisch die Geometrie der optimalen Auslegung eines Wärmespeichers dargestellt. In Figur 19 A ist schematisch die Draufsicht eines optimierten Wärmespeichers dargestellt. Gemäß der Erfindung ist die Einstrahlungsfläche als ein Hohlraum 140 ausgebildet so dass die Sonnenstrahlen durch einen engen Spalt 141 über die ganze Speicherhöhe einstrahlen. Sie werden dabei von der schwarzpigmentierten Fläche 107 absorbiert und dabei in die Wärme umgewandelt. Der Hohlraum 140 verhält sich annährend wie ein schwarzer Körper. Die Spaltöffnung 141 ist mit Doppelvergla- sung 108 vorgesehen und mit Innenbeschichtung von der inneren Seite der Glasscheibe, so dass die Wärmeabstrahlung minimiert wird. Nachtsüber wird ein Abschirmungs- tor 119 mit eigenem Antrieb in die Position gebracht, so dass die Spaltöffnung vollkommen abgedeckt wird, so dass die Abstrahlungsverluste auf Minimum gehalten werden können. In der Speichermasse 102 können Öffnungen beim Ausgießen der Speichermasse 2 gelassen werden, so dass in diese Öffnungen Heizstäbe eingebracht werden können. Damit kann gleichzeitig die Sonne- und Windenergie gespeichert werden. In Figur 20 ist gemäß dieser Erfindung eine Variante zur Speicherung verschiedener Energiearten dargestellt die eine wirtschaftliche und preiswerte Alternative zeigt. Ein Wärmespeicher 142 ist mit einer Steinschüttung 143, die aus feuerfesten Steinen besteht, versehen. In der Steinschüttung sind die feuerfesten Stahlrohre 144 eingebettet. Die Stahlrohre sind mit einer Kugelschüttung 104 aus geschmolzenem Korund oder feuerfestem Edelstahl befüllt, um die Wärmeübertragung zu intensivieren. Die Stahlrohre sind von außen mit feuerfestem Stahlblech 145 berippt so, dass die Steinschüttung mit den Stahlrohren und mit den Rippen ständig in Berührung steht. Die Wärme von der Steinschüttung wird an die Stahlrohre und auf die Rippen hauptsächlich durch Strahlung übertragen. Da die Stahlrohre sich in der Steinschüttung linear bewegen können, kann die Dehnungsaufnahme außerhalb des Speichers 142 vorgesehen werden. Weil die in den Stahlrohren vorgesehene Kugelschüttung eine große spezifische Oberfläche hat ist die Wärmeübertragung von den Stahlrohren an die durch sie strömende Druckluft sehr effizient. In der Steinschüttung können anstatt der Stahlrohre durch die die Luft als Wärmeübertragungsmedium strömt, die Verdampfungsrohre wie in Figur 10 be- schrieben ist, vorgesehen werden.

Die Sonnenenergie wird auf die Weise gespeichert, dass die Sonnenstrahlen, die mittels konzentrierender Spiegel auf mindestens eine Absorberfläche 129 konzentriert werden. Dort wandeln sie ihre Energie in die Wärme um und erwärmen die durch den Absorber strömende Luft bis maximal 1000 ⁰ C. Die heiße Luft wird mittels eines Gebläses 146 in einen Kreislauf gebracht, so das sie aus dem Absorber 129 in den Wärmespeicher 142 geleitet wird. Dort gibt sie ihre Wärme an die Steinschüttung 143 ab und verlässt wieder den Speicher 142. Die Wärmeentkoppelung aus dem Wärmespeicher 142 erfolgt auf die Weise, dass ein Verdichter die Außenluft auf einen bestimmten Druck verdichtet. Dabei steigt die Luft- temperatur an. Die Druckluft strömt durch die Stahlrohe 144 die in der Steinschüttung 143 eingebettet sind. Dort wird sie zusätzlich erwärmt durch die Wärmeentkoppelung aus der Steinschüttung. Anschließend wird sie in eine Luftturbine 131 geleitet. In der Turbine entspannt die Luft bis zum Umgebungsdruck und einer Temperatur die höher ist als die Umgebungstemperatur.

In Figur 20 A ist der Wärmespeicher 142 mit Steinschüttung 143 und in der Steinschüttung eingebetteten Stahlrohren 144 dargestellt. Der Wärmespeicher 142 liegt auf einer Feinsandschüttung 117b und die Feinsandschüttung liegt auf einem Fundament aus armiertem Beton 117a. Die Feinsandschüttung 117b wird auf dem Betonfundament aufgeschüttelt und verdichtet. Der Zylinder 142, der mit Steinschüttung 143 befüllt wird, wird aus feuerfestem Schamottziegel 147 gemauert. Für den Eintritt der heißen Luft in den Speicher 142 ist der Anschluss 148 und für den Austritt der Anschluss 149 vorgesehen. Ein Anschluss 150 ist für den Eintritt der Druckluft in den Speicher 142 und ein Anschluss 151 ist für den Austritt der erwärmten Luft aus dem Speicher 142 vorgesehen.

Figur 21 stellt eine Ausführungsmöglichkeit dar, der gemäß Sonnen- und Windenergie gleichzeitig gespeichert werden können. Das Grundprinzip ist wie in Figur 20 beschrie- ben, jedoch dem Wärmespeicher 142 ist ein Lufterhitzer 152 vorgeschaltet, in dem e- lektrische Heizstäbe 124 eingebaut sind, um mittels der elektrischen Energie aus der Windanlage zu erwärmen. Falls die Sonnenenergie nicht ausreicht wird die Energie der Windanlage entnommen oder umgekehrt. In Figur 22 ist eine Ausführungsmöglichkeit dargestellt der gemäß ein Wärmespeicher 142 lediglich für die Speicherung der Windenergie genutzt wird. Das Grundprinzip ist schon in Figur 21 beschrieben.

In Figur 23 ist ein Wärmespeicher 152 so geformt, dass er gleichzeitig als Feuerung 153 und Wärmespeicher 152 dient. So kann man in der Feuerung 153 die Biomasse verbrennen und die Energie der Verbrennungsgase in der feuerfesten Masse speichern. Beim Gießen der Wärmespeichermasse 102 wird die Feuerung 153 so schabloniert, dass nach dem Erhärten der Gießmasse die fertige Feuerung 153 entsteht. Beim Gießvorgang sind Öffnungen 154 in der feuerfesten Masse für die Rauchgase so geformt, dass durch die Öffnungen strömende Rauchgase ihre Wärme an die feuerfeste Masse abgeben und sie auf eine höhere Temperatur erwärmen. In der feuerfesten Masse sind Stahlrohre (wie zu Figur 10 beschrieben) mit Armierung 103a versehen und mit Deh- nungskompensatoren 120 eingebettet. Die Stahlrohre sind mit einer Kugelschüttung 104 befüllt um die Wärmeübertragung von der feuerfesten Masse auf die durch die Stahlrohre strömende Druckluft zu vergrößern.

Wenn die Wärmespeichermasse die gewünschte Temperatur erreicht, schaltet sich ein Motor 132 ein (beim Starten arbeitet ein Generator 131 als Motor) und mittels eines Verdichters 133 wird die Außenluft auf einen bestimmten Druck komprimiert. Dabei steigt die Drucklufttemperatur an und anschließend wird die Druckluft in der Wärme- Speichermasse auf eine höhere Temperatur erwärmt und in der Turbine 131 auf Atmosphärendruck entspannt Qetzt wird der Motor als Generator umgeschaltet). Man kann die Kapazität des Wärmespeichers so auslegen, dass man in bestimmten Zeitabständen die Anlage befeuert. Die Feuerung kann automatisiert werden. Mittels eines Rauchgasgebläses 55 wird die Frischluftzuführung in der Feuerung 153 gesichert und die Rauchgase werden aus der Feuerung abgezogen. Man kann durch eine Beschränkung der Rauchgastemperatur am Austritt aus dem Wärmespeicher 152 den Wirkungsgrad der Feuerung regeln. Die Rauchgastemperatur am Austritt aus dem Wärmespeicher 152 sollte 300 ⁰ C nicht überschreiten. Die Drehzahl der Turbine 131 wird mittels einer Regelklappe 136, die am Einlass des Luftverdichters 133 vorgesehen ist, geregelt.

Details der weiteren Großraumwärmespeicher nach Figuren 10 bis 23 können sowie in den Ausführungsbeispielen nach Figuren 1 bis 9 gestaltet werden. BEZUGSZEICHENLISTE

1 Parabolrinnen 22 Dampfleitung

1.1 Fokus oder Fokuszone 23 Armierung

2 Gegenparabolrinne 24 Kondensatverteilungsgefäß

3 Wärmespeichermasse 25 Kolbenpumpe

3.1 Öffnungen 26 Granulat

4 Verdampfungsrohre oder Stahlroh27 Verdampfungs- oder Stahlrohre re 27.1 Rohrrippen

4,27 Rohrachse 28 Zirkulationsgebläse

5 Kugeln 29 (Turbinen)-Welle

5.1 Heizstäbe 30 Wasserdampfturbine

6 Stahlkonstruktion 31 Turbine

7 Motor 32 Turbine

8 Getriebe 33 Turbine

9 Verstell-Welle 34 Wärmetauscher

10 Oberfläche 35 Heizwasserkreislauf

10.1 Hohlraum 36 Verdampfer

11 Platte 37 Verdampfer

11.1 Antireflexfläche 38 Verdampfer

12 Öffnung 39 Dampfsammelbehälter

13 Isoliermatte 101 Großraumwärmespeicher

14 Luftschicht 102 Gießmasse

15 Edelstahlblech 103 Rohre

16 Isoliermatte 103a Armierung

17 Isolierplatte 104 Kugelschüttung

18 Feinsandtragschüttung 105 Dampfsammelbehälter

19 Betongrube 106 Wassereintrittsöffnung

20 Glasscheibe 107 Sonneneinstrahlungsflächen

21 Kondensatleitung oder Kondensat 108 Doppelverglasung

zuführungsrohre oder -leitungen 109 Spiegel 110 Dampfsammeiraum 148 Anschluss

111 Dampfturbine 149 Anschluss

112 Stromgenerator 150 Anschluss

113 Kondensatspeisepumpe 151 Anschluss

114 Dampfregelventil 152 Lufterhitzer

117a Beton 153 Feuerung

117b Feinsandschüttung

119 Einrichtung (I) Wasserdampfkreislauf

120 Dehnungskompensation (II) Kreisprozess

122 Windanlage (III) Kreisprozess

123 Wärmespeicher (IV) Kreisprozess

124 Heizstäbe

125 Wärmespeicher

126 Feuerung

127 Rauchgaskanal

129 Absorber

130a Wärmespeicherblock

131 Luftturbine

132 Stromgenerator / Turbine

133 Verdichter

134 Einlass

135 Ventil

136 Regelklappe

137 Wärmespeicher

140 Hohlraum

141 Spalt

142 Wärmespeicher

143 Steinschüttung

144 Stahlrohre

145 Stahlblech

147 Schamottziegel